CN1202618C - 亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器是一种应用于近距离高速无线通信系统中为其提供通信的“载体”，尤其是一种亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器。该发生器由基带信号源、微分器、基极零偏置放大器、滤波器、宽带低噪声放大器依次相串联组合而成，由基带信号源产生方波信号输入，经微分器、基极零偏置放大器、滤波器后，由宽带低噪声放大器输出亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲。

Description

亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器

一、技术领域

本发明是一种应用于近距离高速无线通信系统中为其提供通信的“载体”，尤其是一种亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器。

二、背景技术

事实上人们对超宽带窄脉冲的研究是非常早的，从上个世纪六、七十年代开始，因此有许多的专利文献和文章都专门阐述如何产生满足各种要求的窄脉冲，美国等在这方面的专利有很多。在研究的初期，由于器件和工艺的缺乏，主要利用微波器件(如传输线)等效成开关，从而得到短持续时间的信号，再经过脉冲成形网络整形成满足要求的波形和电压足够高的脉冲，这些方法造价通常很高，且器件庞大，更不适于现代应用；后来前苏联人发现二极管上速度极快的良性雪崩效应能够使矩形脉冲的上升沿急剧陡峭，从而使得窄脉冲的成形都倾向于利用PN结的雪崩效应；在早期利用雪崩效应的方案中，由于器件的限制，通常需要在二极管或三极管上加上2～3KV的反偏高压，同时产生的窄脉冲电压也非常高，但其高偏压的提供本身就是困难；此后，随着器件的发展，产生雪崩效应的电压下降都100到130伏左右，从而使得制造成本和电路本身都大为简单，但作为通信系统仍然太大，脉冲过宽，而且窄脉冲重复频率不高。总的来说，在适于集成、高重复频率、可控性等方面，现行的技术都是无法满足的。同时，这些电路的设计更多是从器件特性等方面来考虑实现的，或说更多的是从时域的角度来考虑的。

现代通信最常用的技术是将一条或多条信息叠加到一个高频连续载波上，然后通过一个传输中介发送信号并在接收端解调，单独恢复出各条信息的独立内容。信息信号的原始形式可能是音频信号，数据脉冲，视频信号，或者其他信号。高频载波通过的传输媒介可能是空气(无线电传输)，双绞电缆，光缆，或是其他媒介。而超宽带(Ultra Wide Band，故又称UWB)无线通信通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行调制，当脉冲窄到亚纳秒级时，UWB信号将具有GHz量级的带宽，因此可以称为超宽带(UWB信号一种是指相对带宽大于0.25的信号，所谓相对带宽，是指 $\mathrm{\η}=\frac{f_H-f_L}{f_H+f_L},$ f_H和f_L表示信号的最高和最低频率；另一种含义是指带宽超过1.5GHz的信号)。超宽带无线通信相对于连续波通信系统，有它独特和独到之处，在很多领域有它的应用，如雷达、通信、探测。UWB的特点有：应用中，发射信号功率谱密度较低(数十mW范围)，强抗截获能力；系统复杂度低；数厘米的定位精度等优点。但是这些性能的获得都需要依赖于现有技术和工艺的可行性，特别是集成电路的工艺。UWB应用中必不可少的关键部分之一就是如何产生可以控制UWB窄脉冲，灵活而方便的控制是UWB通信中所渴望的；产生足够窄的脉冲和适于信道传输的脉冲形状也是UWB通信中的热门研究点和关键所在。

三、技术内容

1、技术问题

本发明的目的是提供一种适于集成的、高重复频率的、易于控制的适于目前和未来小型、高速、近距离无线超宽带通信应用的亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器。

2、技术方案

一种亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器，其特征在于该发生器由基带信号源、微分器、基极零偏置放大器、滤波器、宽带低噪声放大器依次相串联组合而成，由基带信号源产生方波信号输入，经微分器、基极零偏置放大器、滤波器后，由宽带低噪声放大器输出亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲，在基极零偏置放大器与滤波器之间还设有二极管隔离器，基带信号源采用方波信号源，其输出端接微分器的输入端即电容器C1的一端；电容器C1的另一端与电阻器R1的接点为微分器的输出端，该端与基极零偏置放大器的输入端即晶体管Q1的基极相接，电阻器R1的另一端接地；零偏置放大器的输出端即晶体管Q1的集电极接二极管D1的正极，二极管D1的负极接滤波器的输入端即电阻器R3的信号输入端，电阻器R3的信号输出端接电容器C3的信号输入端，滤波器的输出端即电容器C3的信号输出端接宽带低噪声放大器的输入端即晶体管Q2的基极，信号输出端为晶体管Q2的集电极。二极管隔离器的输出端为二极管D1的负极，与滤波器的输入端即电阻器R3相接。

3、技术效果

本发明具有提供一种适于集成的、高重复频率的、易于控制的适于目前和未来小型、高速、近距离无线超宽带通信应用的亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器。高重复频率、低平均功率的窄脉冲是超宽带无线通信系统不可缺少的一部分。该发生器首先将基带信号源TTL电平的矩形脉冲序列经微分器变成正负极性占空比很小的脉冲序列，然后由基极零偏置放大器抑制负极性脉冲，并放大正极性脉冲，调节微分器的电阻和电容参数使得正极性脉冲足够窄，从而可以近似的认为是冲激信号序列，接着该冲激序列激励由R、L、C组成的滤波器产生持续时间为亚纳秒级窄脉冲，最后经过宽带低噪声放大器放大该窄脉冲。在不改变电路参数的情况下，当激励信号的重复周期在10M到1000M变化时，输出窄脉冲的峰峰值和宽度都可保持不变；但改变电路参数能够得到不同宽度和幅度的窄脉冲；由于电路可看成输入信号上升沿触发，因而很适合于跳时脉位调制TH-PPM超宽带无线通信系统，加入控制电路后亦可用于探测、监控和雷达系统等。

四、附图说明

图1是本发明的电路原理框图。其中有基带信号源1、微分器2、基极零偏置放大器3、滤波器4、宽带低噪声放大器5。

图2是本发明电路原理框图中加入二极管隔离器6的电原理框图。

图3是本发明电路原理图。

图4是滤波器的幅频响应图。

图5是滤波器的单位冲激响应图。

五、具体实施方案

一种亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器，其特征在于该发生器由基带信号源1、微分器2、基极零偏置放大器3、滤波器4、宽带低噪声放大器5依次相串联组合而成，由基带信号源1产生方波信号输入，经微分器2、基极零偏置放大器3、滤波器4后，由宽带低噪声放大器5输出亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲，在基极零偏置放大器3与滤波器4之间还设有二极管隔离器6，基带信号源1采用方波信号源U1，其输出端接微分器2的输入端即电容器C1的一端，电容器C1的另一端与电阻器R1的接点为微分器2的输出端，该端与基极零偏置放大器3的输入端即晶体管Q1的基极相接，零偏置放大器3的输出端即晶体管Q1的集电极接滤波器4的输入端即电阻器R3，滤波器4的输出端即电容器C3接宽带低噪声放大器5的输入端即晶体管Q2的基极，信号输出端为晶体管Q2的集电极，二极管隔离器6的输入端为二极管D1的正极，与基极零偏置放大器3的输出端即三极管Q1的集电极相接；二极管隔离器6的输出端为二极管D1的负极，与滤波器4的输入端即电阻器R2相接，微分器由电容和电阻串联而成，并由电阻输出到基极零偏置放大器，基极零偏置放大器由NPN型三极管构成，它包含集电极，基极和发射极，同时集电极与电阻连接到6伏直流电源以获得直流偏置，二极管隔离器由通用的二极管构成，滤波器具体的构成形式为电阻与电感、电阻、电容的并联器串接而成，宽带放大器由NPN型三极管、电阻和电容构成，输入方波信号的重复频率可以从10MHZ到1000MHZ变化时，输出超宽带窄脉冲持续时间和幅度都保持不变，改变滤波器的参数可以改变输出窄脉冲的波形和持续时间。

参照电路原理框图1，进一步的原理分析如下。基带信号源为TTL电平的方波信号源，高电平5伏，低电平0伏。当把发明应用于超宽带通信系统时，基带信号源表示经编码、伪随机处理、交织处理，并携带信息的基带信号序列。当基带信号源重复频率从10MHZ到1000MHZ变化时，电路均能有效输出。微分器由电容和电阻构成，取出基带信号源的上升沿和下降沿，以降低信号占空比。基带信号源信号可用下式表示：

$S\left(t\right)=A\underset{n=2k}{\overset{+\∞\∞}{\underset{K=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}[u(t-\mathrm{nT})-u(t-(n+1)T)],$

其中u(t)为单位阶跃函数。经微分器后方波序列为：

$S_d\left(t\right)=B\underset{n=2k}{\overset{+\∞}{\underset{K=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}[\mathrm{\δ}(t-\mathrm{nT})-\mathrm{\δ}(t-(n+1)T)],$

其中T为方波信号的宽度，2T为其周期，A、B为常数。基极零偏置放大器用于提取方波信号上升沿微分后所得到的冲激信号，同时去掉下降沿微分后所得到的冲激信号，但由于微分后的信号相对幅度都较小，而后面的滤波器是无源的，因而需要将其放大。由此，经零偏置放大器后的信号表达式为：

$S_d\left(t\right)=-C\stackrel{+\∞}{\underset{n=2k}{\underset{K=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}\mathrm{\δ}(t-\mathrm{nT}).$

超宽带窄脉冲发生器的关键就在于滤波器的设计，而前面的二极管电路起隔离作用，以消除后面信号对前级电路的影响。假定滤波器的单位冲激响应为h(t)，那么经过滤波器后输出信号为：

$S_d\left(t\right)=-d\underset{n=2k}{\overset{+\∞}{\underset{K=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}h(t-\mathrm{nT}).$

由上式可知，从理论上说，只要改变滤波器的输出单位冲激响应就可以得到任意波形的信号。低噪声宽带放大器可看成是线性放大网络，倒相放大信号的同时不会引入新的频率分量。故最后输出信号可表示为：

$\mathrm{So}\left(t\right)=K\underset{n=2k}{\overset{+\∞}{\underset{K=-\∞}{\mathrm{\Σ}}}}h(t-\mathrm{nT}),$

其中K，d为正数。

参照电路原理框图1，本发明的典型实现电路图如图3所示。图中：重复周期为200MHZTTL电平的方波信号源为基带信号源，高电平5伏，低电平0伏。信号源信号经过C1和R1组成的微分网络将源的占空比降至恰当的水平，降低的数值可调节微分网络来实现。基极零偏置放大器的三极管Q1工作在零偏置状态，一方面可以只取出激励源的上升沿，另一方面可以放大微分后的微弱信号，以保证输出信号达到一定的幅度。二极管D1隔离两边的网络，以防止后级电路对三极管的影响。R3、C2、L1、R4构成滤波器，产生输出所需波形，调节R、L、C的参数可以改变输出波形和频谱；C3将小信号耦合到宽带低噪声放大器中，最后的波形从Q2的集电极输出。

基带信号源为200M赫兹方波信号源，它的频率可调节。微分器由电容和电阻串联而成并经电阻输出，它只针对特定输入频率范围的方波序列完成微分功能，因而改变电容和电阻的值可以影响到电路的工作频率范围。

发明中所用的典型滤波器。不考虑其分布参数等影响，可以求出其系统函数为：

$H\left(S\right)=\frac{\frac{1}{\mathrm{SC}+\frac{1}{\mathrm{SL}}+\frac{1}{R_2}}}{R_1+\frac{1}{\mathrm{SC}+\frac{1}{\mathrm{SL}}+\frac{1}{R_2}}}=\frac{\frac{1}{R_{1}C}S}{S^2+\frac{R_1+R_2}{C{R}_1{R}_2}S+\frac{1}{\mathrm{CL}}}$

幅频响应为：

$\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{\mathrm{\ωL}{R}_2}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4+\frac{L(R_1^2+2R_1{R}_2+R_2^2)-2C{R}_1^2{R}_2^2}{C^{2}L{R}_1^2{R}_2^2}{\mathrm{\ω}}^2+\frac{1}{C^2{L}^2}}}$

由上面两式就可求得单位冲激响应，并做出它们的图形，说明书附图4为幅频响应曲线，图5为单位冲激响应。图4中，其中心频率为2.90G赫兹；图5中脉冲宽度为0.34纳秒。

Claims (4)

1、一种亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器，其特征在于该发生器由基带信号源(1)、微分器(2)、基极零偏置放大器(3)、滤波器(4)、宽带低噪声放大器(5)依次相串联组合而成，由基带信号源(1)产生方波信号输入，经微分器(2)、基极零偏置放大器(3)、滤波器(4)后，由宽带低噪声放大器(5)输出亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲。

2、根据权利要求1所述的亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器，其特征在于在基极零偏置放大器(3)与滤波器(4)之间还可设有二极管隔离器(6)。

3、根据权利要求1所述的亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器，其特征在于基带信号源(1)采用方波信号源(U1)，其输出端接微分器(2)的输入端即电容器C1的一端；电容器C1的另一端与电阻器R1的接点为微分器(2)的输出端，该端与基极零偏置放大器(3)的输入端即晶体管Q1的基极相接，电阻器R1的另一端接地；零偏置放大器(3)的输出端即晶体管Q1的集电极接二极管D1的正极，二极管D1的负极接滤波器(4)的输入端即电阻器R3的信号输入端，电阻器R3的信号输出端接电容器C3的信号输入端，滤波器(4)的输出端即电容器C3的信号输出端接宽带低噪声放大器(5)的输入端即晶体管Q2的基极，信号输出端为晶体管Q2的集电极。

4、根据权利要求2或3所述的亚纳秒持续时间的超宽带窄脉冲发生器，其特征在于二极管隔离器(6)的输入端为二极管D1的正极，与基极零偏置放大器(3)的输出端即三极管Q1的集电极相接；二极管隔离器(6)的输出端为二极管D1的负极，与滤波器(4)的输入端即电阻器R3相接。

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